摘 要:在超声波塑料焊接过程中,针对声学系统的输入电信号受到焊接过程负载变化的直接影响,研制了一种超声波电信号测试系统,可以对超声波塑料焊接过程中功率、电压电流有效值、相位差及频率信号等进行快速准确的在线检测,而且可以对测量结果进行实时纪录、分析处理.测试结果表明,超声波电信号能够有效地反映焊接过程的变化,为实现焊接过程质量控制提供了可能.该系统还可以应用于功率超声的其他领域.
目前,超声波塑料焊接质量控制得到了焊接工作者的普遍重视,而其质量控制的前提是焊接过程质量信息的提取与检测.超声波焊接设备的核心部分是声学系统,它可以将输入的高频电信号转化为同频的机械振动,作用在焊接工件上.塑料在焊接过程中要经历受热软化、熔融、润湿铺展等一系列变化过程, 情况十分复杂 .
焊件在焊接过程中所产生的机械状态的变化, 必然反映在声学系统机电转换器件电信号的变化上 .由此可见,研究超声波塑料焊接过程中输入电信号的变化, 对焊接过程质量信息的提取具有十分重要的意义.
为研究超声波塑料焊接过程的动态变化, 必须对输入超声波换能器的各种电参数进行在线实时测量.目前, 市场中尚没有专用的大功率超声波电信号检测设备, 对大功率超声设备电信号的检测多采用记忆示波器、功率计及测振仪 , 或用其他工频电信号检测设备来代替.
.超声波塑料焊接换能器不仅输入电功率较大(由几百瓦到几千瓦), 焊接时间很短仅为 1 s 左右 ,而且负载变化情况十分复杂(不是纯阻性), 使其信号波形常常具有一定程度的畸变.这使得目前常用的检测设备难以满足超声焊接电信号检测的需要 .为此本文研制了一套多功能超声波电信号检测系统 ,可对输入超声波换能器的电压电流有效值 、功率、相位差及频率进行在 线实时测量,并可随时纪录分析测量结果,绘制出测量曲线
1 检测系统
该系统主要由电压有效值、电流有效值、功率、相位差、频率等测量模块组成 ,原理框图如图所示
焊接过程中输入声学系统的电信号变化快 , 而且频率变化范围较宽.为提高测量速度与精度, 首先在器件的选择上采取措施 , 选用响应速度快的芯片, 并在组件及芯片的外围电路滤波环节上,控制其时间常数不超过0 .2 ms, 以保证系统总的响应时间在 2 ms 以内, 满足检测快速变化电信号的需求 .为保证系统宽频带幅频特性的要求,选用高精度 、高稳定性的 RCK型电阻,其寄生电感电容极小 .运算放大器组件选用开环放大倍数为10以上 ,闭环放大倍数不超过 10 的组件. 这样在 0 ～ 20 kHz ±3 kHz, 可以取得平坦的幅频曲线 .下面分别对各功能模块进行简要说明.
1 .1 电压有效值 Vrms 的测量
电压值Vrms 的测量 本文研制的测试设备 可测量有效值0 ～ 1 000 V , 频率20 kHz±3 kHz 并带有畸变的正弦电压信号 .输入电压经过信号提取 ,有效值交直流转换 ,再经比例调节分两路输出:一路供给测试仪前面板的 3 位半数字表头 ,直接显示 0 ～ 1 000 V电压有效值 ;另一路通过测试仪后面板输出 0 ～ 10 V 模拟电压信号供计算机进行数据采集分析 .
电压信号的提取一般可通过电压互感器、霍尔元件传感器或光电转换器件来实现 .这些方法
虽然隔离性好, 但对于 20 kHz 的电信号却会产生不同程度的波形畸变 ,还会带来附加的相移, 使功率测量及相角测量精度难以保证.本文采用比例放大器对电压信号进行处理, 放大器输入电阻采用5 .1 MΨ,这一方面可以使输入的高压信号得到衰减 ,对后续电路起到保护作用,而且由于放大器的输入阻抗远远大于超声波发生器的信号源内阻,对超声波发生器工作状态无影响.
电压有效值测量采用 AD637 , 它是目前国际上转换精度较高及频带较宽的交直流有效值转换器,且转换与波形无关 ,是真有效值转换器件当其电源采用 ±15 V , 输入电压为 0 ～ ±7 V 时, 在带宽 200 kHz 下 , 产生的最大误差约为 1 %.波形因数为 1 ～ 2 时, 不产生附加误差.
1 .2 电流有效值的测量
本文研制的电流有效值检测电路可以对 0 ～2 A , 20 kHz ±3 kHz, 带有正弦畸变的电流信号进行检测.通过采用图 1 中串接在超声波发生器负载回路的标准采样电阻 ,首先将电流转换成与之成正比的电压信号, 由于采样电阻为纯阻性器件,因此不会带来电流波形畸变, 也不会带来附加的相移 ,从而保证了测量精度.与电流成正比的电压信号经有效值交直流转换器 AD637 转换成模拟电压信号 ,分两路输出到数字表头与计算机 ,其转 换原理与电压有效值转换相同 .
1 .3 有功功率的测量
有功功率测量的信号来自电压 、电流有效值测量模块中经衰减后的电压及 I/ V 变换后的信号.功率测量模块的核心是 AD534 模拟乘法器及滤波电路 , 瞬时电压与电流经乘法器相乘后滤去高频分量 ,即可得到实际有功功率
1 .4 电流电压相位差的测量
超声波换能器输入电压与电流之间相位差的测量 ,是通过过零比较器将输入电压、电流信号整形为方波 ,再通过“异或”逻辑处理合成相位差 .由于电压电流之间不仅存在相位差, 还有相互间超前与滞后的不同, 本文还设计了鉴别超前滞后关系的时序电路 .这部分电路原理框图如图所示
1 .5 频率的测量
频率测量模块采用单片机 8051 , 利用标准晶振频率, 在一定信号周期内对晶振脉冲信号进行计数,可以实现在 1 ms 内,频率为 20 kHz 时 ,误差不超过 2 Hz .频率测量结果以 16 位二进制数输出,输入到计算机 I/O 卡中 ,经软件编程转换成十进制的实际频率值.
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